王鐵寧， 劉 磊

(陸軍裝甲兵學院裝備保障與再制造系， 北京 100072)

軍隊裝備物資的運輸保障是執(zhí)行作戰(zhàn)、訓練和非戰(zhàn)爭軍事行動的重要基礎。近年來，空投運輸方式因其方便快捷的特點得到了快速發(fā)展和廣泛應用。隨著陸航力量的不斷建設完善，陸軍裝備物資投送也越來越多地通過直升機空中投送來完成，并主要采取有傘空投和機降2種方式，但這2種方式都有其自身的不足，其戰(zhàn)場適用性不夠強：有傘空投方式前期準備時間長，時效性不強，易受風力、風向及高大樹木等地面環(huán)境的影響，且物資散布面積廣，投送的裝備物資不易快速集中形成戰(zhàn)斗力，容易被敵方發(fā)現(xiàn)甚至攻擊；機降方式對地面條件要求較高，需要有一定面積平整堅硬的地面來實現(xiàn)機降，叢林、沙漠、厚雪、沼澤、不平整山地等地面都無法實現(xiàn)機降，且機降投送時間較長，在沒有絕對制空權(quán)的情況下，投送的安全性相對較差。因此，國內(nèi)外學者根據(jù)新的作戰(zhàn)形勢開展了無傘空投(airdrop without parachute)的相關研究[1-3]。筆者對直升機100～300 m高度低空無傘空投方式進行了研究，為在短時間內(nèi)迅速實施精準投擲并快速集中投擲物資，進而形成戰(zhàn)斗力提出了理論參考。

1 需求分析

無傘空投是指裝備物資不系降落傘，直接從飛行器上投擲的方式。其具有準備時間短、投送迅速、包裝簡單、受氣象影響小、著陸散布小、可重復利用等優(yōu)點，是世界各國普遍關注的研究方向，也是未來作戰(zhàn)行動中裝備物資保障方式的發(fā)展趨勢。構(gòu)建裝備物資無傘空投系統(tǒng)需要解決2方面問題：1)設計可用于無傘空投的包裝箱，實現(xiàn)在100～300 m高度無傘空投藥品、食品、裝備器材、油料等軍用裝備物資,通過使用緩沖外包裝材料進行保護，保證空投裝備物資的實用性、安全性和可靠性；2)研發(fā)裝備物資無傘空投信息平臺，實現(xiàn)空投物資的管理、定位和識別。

由于無傘空投要求裝備物資以自由落體的方式從高空投至地面，落地速度達到44.7～77.5 m/s。在這樣高速的沖擊下，要確保包裝箱內(nèi)裝備物資的完好無損，對裝備物資包裝箱的抗沖擊性能以及內(nèi)襯的緩沖性能均提出了很高的要求，這也是實現(xiàn)無傘空投難以攻克的問題之一。趙西友等[1]借助數(shù)值模擬和高空跌落，研究了液體類食用物資無傘空投的緩沖包裝，通過對緩沖包裝材料的選擇和包裝方式的設計,實現(xiàn)了200 m高空的無傘空投。同時，戰(zhàn)時的時效性要求也很高，需要在盡量短的時間內(nèi)尋找到投送的裝備物資并快速識別包裝箱內(nèi)的物資種類和數(shù)量，以便快速形成戰(zhàn)斗力。這就需要研制一套能對無傘空投裝備物資進行定位識別的輔助系統(tǒng)，來提高裝備物資保障的準確性和時效性。

2 裝備物資無傘空投包裝箱設計

2.1 包裝平臺任務分析

無傘空投系統(tǒng)設計是以空投中、小件裝備物資的實際需要為依據(jù)，充分考慮軍隊物資保障系統(tǒng)、空運系統(tǒng)和空投技術(shù)保障條件，重點解決系統(tǒng)模塊組合應用技術(shù)和多樣化使用設計方案。無傘空投系統(tǒng)設計應遵循以下6項原則：

1) 以戰(zhàn)為主，平戰(zhàn)兩用，適合空運空投；

2) 綜合配套，符合通用化、系列化、組合化相關要求[4]；

3) 分體與組合使用應具備互換性，滿足多樣化使用需求；

4) 系統(tǒng)本身應具有緩沖減震性能，滿足空投時的抗沖擊過載；

5) 具有自動定位、尋找功能，操作簡單、使用方便等特點；

6) 注重裝備的安全性、可靠性和可維修性。

2.2 包裝箱體設計

2.2.1 箱體材料選擇

為了有效實施無傘空投，首先應考慮將裝備物資準確安全地投放到預定區(qū)域內(nèi)，保障空投后的物資完好可用。在著陸瞬間，空投系統(tǒng)需要承受很大的沖擊載荷，對無傘空投包裝材料提出了更高要求，其強度、減震緩沖性能、抗沖擊性能、工作環(huán)境、溫度適應性能等均為關鍵參數(shù)。因此在選材上應選用耐銹蝕、耐高低溫、防水防潮、重量輕、剛性強、韌性好的新材料。

經(jīng)分析論證，筆者選取某新型專用、超輕、高抗沖、高分子復合材料作為無傘空投箱體材料。該材料基體為復合聚乙烯彈性樹脂，同時添加抗老化劑、增韌劑、抗氧劑和潤滑劑等，經(jīng)多次配方調(diào)整以及壓力、振動、跌落、耐高低溫等試驗驗證，材料的密度、維卡軟化度、抗沖擊性、熔體流動速率、拉伸強度等性能符合沖擊要求，同時具備耐高低溫、重量輕、成本低、剛性強、韌性好的特點。箱體運用滾塑工藝整體成型，強度較弱的部位用金屬預埋件加強，在強度、自重等方面均可滿足要求。

2.2.2 箱體尺寸設計

無傘空投包裝箱體外形尺寸設計應以現(xiàn)役的中、小件空投系統(tǒng)為基礎，綜合考慮不同機型的貨艙尺寸、側(cè)導軌有效工作間距，以及各類裝備物資器材的重量、體積的需要[5]，且符合GJB182B—2013《軍用物資直方體運輸包裝尺寸系列》[6]標準，滿足模塊化組合、多樣化使用的要求。為此，筆者設計了3種規(guī)格箱體尺寸：1 200 mm(L)×800 mm(W)×600 mm(H)、800 mm(L)×600 mm(W)×500 mm(H)、600(L) mm×400 mm(W)×500 mm(H)。

2.2.3 箱體結(jié)構(gòu)設計

為滿足裝備物資無傘空投的快速投送需求，從以下5個方面考慮箱體結(jié)構(gòu)設計：

1) 箱體結(jié)構(gòu)采用蓋、體分離組合結(jié)構(gòu)形式，4側(cè)配以不銹鋼鎖扣，鎖扣強度高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便快捷，單手可完成鎖緊、分離操作，在投送時，輔以一次性高強聚酯纖維帶，捆綁鎖緊，保證箱體鎖緊牢靠，方便無傘空投系統(tǒng)多次重復使用；

2) 箱體兩側(cè)設置金屬提手，滿足人力搬運要求；

3) 箱體上頂部和下底部分別設計凸起和凹槽結(jié)構(gòu)，保證堆碼穩(wěn)固牢靠，同時可加強箱體強度，增強箱體抗壓及承重能力；

4) 箱體安裝壓差調(diào)節(jié)透氣閥，保障箱體在高海拔落差及氣壓變化的情況下箱蓋開合順暢；

5) 蓋、體合口處采用舌槽式密封結(jié)構(gòu)形式，中間壓縮密封膠條，實現(xiàn)箱體密封，隔水、隔潮。

2.3 包裝箱沖擊試驗論證

在無傘空投過程中，當箱體落地時會受到很大沖擊。箱體能否承受如此大的沖擊是無傘空投方式是否可行的一個關鍵因素，對此，筆者所在研究小組進行了試驗論證：假設箱體為雙線性各向同性強化模型，并通過試驗獲取材料參數(shù)，包括密度、彈性模量、泊松比、屈服強度和硬化模量。

1) 建立顯式動力學模型，運用Abaqus CAE軟件進行仿真試驗，并根據(jù)有限元理論[7]對箱體模型進行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

設定包裝箱為彈塑性體，在300 m高空條件下定義正向初速度，并假設包裝箱下落過程中無旋轉(zhuǎn)，只有垂直方向的速度，如圖2所示。

2) 建立地面模型，根據(jù)有限元理論劃分地面模型網(wǎng)格，如圖3所示。在設置地面參數(shù)時，由于在實際空投操作中，不同類型的地面(如土地、草地、砂石地、山地等)，對箱體造成的沖擊力差別較大。為此，筆者選取對箱體沖擊力較強的地面類型，假設地面為完全固定的各向同性三維剛體，楊氏模量為19e，泊松比為0.16。

3) 運用Abaqus CAE軟件進行仿真試驗，可以得出箱體落地與地面點接觸、線接觸時三維坐標方向的等效應力，如圖4、5所示。

根據(jù)式(1)可求得箱體落地時可承受的綜合等效應力(單位為MPa)為

(1)

式中：σ1、σ2、σ3分別為在坐標軸3個方向上的正應力。當σmises≤σ許用值時，表示箱體可以承受沖擊，其中σ許用值通過實物試驗得出。

3 裝備物資無傘空投信息平臺設計

3.1 信息平臺架構(gòu)

圖6為無傘空投系統(tǒng)平臺架構(gòu)，主要包括服務器端、包裝箱端和手持終端。服務器端運行空投后臺信息管理系統(tǒng)和包裝箱定位系統(tǒng)。其中:后臺信息管理系統(tǒng)負責維護物資目錄等基礎信息、管理空投任務和所有用戶；包裝箱定位系統(tǒng)負責實時接收包裝箱定位信息，并通過空投后臺信息管理系統(tǒng)發(fā)送到手持終端。

包裝箱端安裝GPS/BD定位設備、二維碼和RFID射頻標簽。定位設備接收到導航衛(wèi)星的定位信息后，通過內(nèi)置SIM卡定時發(fā)送到服務器端；二維碼記錄定位設備的IMEI(International Mobile Equipment Identity)，是定位設備的唯一標識；射頻標簽內(nèi)記錄的編碼是包裝箱的唯一標識。

手持終端運行空投APP，使用者包括后方作業(yè)人員、空投人員和需求點作業(yè)人員3種角色。后方作業(yè)人員通過APP進行物資裝箱；空投人員通過APP空投物資；需求點作業(yè)人員通過APP定位、識別和接收空投物資。

3.2 業(yè)務流程

圖7為無傘空投系統(tǒng)業(yè)務流程。

1) 后方作業(yè)人員通過后臺信息管理系統(tǒng)創(chuàng)建空投任務，選擇所需物資器材；

2) 從相關倉庫中調(diào)撥所需物資器材，借助手持終端進行裝箱，依次掃描包裝箱射頻標簽、定位設備二維碼和物資條碼，并將三者關聯(lián)；

3) 裝箱完成后，通過直升機執(zhí)行空投，全部物資空投后，后方作業(yè)人員通過后臺信息管理系統(tǒng)更新空投任務為“已投放”，并通知需求點開始接收；

4) 空投執(zhí)行后，需求點作業(yè)人員借助手持終端定位包裝箱位置，并通過掃描射頻標簽識別箱內(nèi)物資，確認接收物資；

5) 物資接收完畢后，后方作業(yè)人員通過后臺信息管理系統(tǒng)結(jié)束空投任務，完成本次空投。

3.3 信息平臺總體功能

無傘空投信息平臺由后臺信息管理系統(tǒng)和手持終端APP兩個子系統(tǒng)組成，如圖8所示。

3.3.1 后臺信息管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理、基礎信息管理和空投任務管理3個模塊。其中系統(tǒng)管理包括用戶管理、角色管理、機構(gòu)管理和菜單管理4個子模塊。用戶管理實現(xiàn)用戶的添加、編輯和刪除功能，用戶信息包括編號、姓名、單位、角色、登錄密碼等；角色管理實現(xiàn)角色的添加、編輯和刪除功能，角色分為管理員、后臺作業(yè)人員、需求點作業(yè)人員和空投作業(yè)人員4種；機構(gòu)管理實現(xiàn)部隊單位信息的添加、編輯和刪除功能；菜單管理實現(xiàn)系統(tǒng)相關菜單的配置功能。

基礎信息管理即對裝備物資的管理，實現(xiàn)裝備器材物資類型的維護和裝備器材物資的添加、編輯和刪除功能。其中裝備物資類型設為3級目錄，物資信息包括編號、類型、規(guī)格、計量單位、單價、長、寬、高、重量等。

空投任務管理包括執(zhí)行整個任務所需的6項功能：1)新建空投任務，包括編號、名稱、創(chuàng)建時間、空投時間、完成時間、空投地點、當前狀態(tài)(新建、已裝箱、已空投、已完成)、空投物資明細(任務編號、物資編號、物資數(shù)量)等；2)編輯空投任務，修改任務名稱、空投時間、物資明細；3)刪除空投任務，刪除新建且尚未執(zhí)行的空投任務；4)生效空投任務，生效后的空投任務才可以進行物資的裝配，物資裝備完成后，空投任務修改為已裝箱，物資空投執(zhí)行后，修改空投任務狀態(tài)為“已空投”，通知需求點接收物資；5)結(jié)束空投任務，需求點完成接收后，修改空投任務狀態(tài)為“已完成”，結(jié)束空投任務；6)查詢空投任務，按時間、狀態(tài)等屬性，查詢歷史空投記錄。

3.3.2 手持終端APP

手持終端APP主要實現(xiàn)3方面的功能：1)空投物資裝箱，瀏覽當前新創(chuàng)建的空投任務，選擇其中某一項空投任務，掃描包裝箱射頻標簽，掃描定位設備二維碼，逐一掃描物資條碼裝入箱內(nèi)，將三者關聯(lián)，待所有物資裝箱完成后，空投任務狀態(tài)修改為“已裝箱”。2)空投物資定位，在手持終端地圖中顯示所有已空投未接收的包裝箱的所在位置。3)空投物資識別與接收，通過地圖導航找到包裝箱后，掃描空投箱上的RFID射頻標簽，顯示箱內(nèi)物資信息，同時確認接收包裝箱，并在地圖上標記該包裝箱已接收。

4 結(jié)論

通過深入分析當前空投方式及空投物資垂直配送的現(xiàn)狀及存在問題，設計了無傘空投系統(tǒng)并對其可行性進行論證，對我軍在當前條件下進行空投物資配送形式改革有一定的現(xiàn)實意義和參考價值。下一步將繼續(xù)進行裝備物資包裝箱無傘空投模擬仿真試驗和實物試驗，進一步改進包裝箱的材料、結(jié)構(gòu)以及裝備物資裝箱的組合方法，搭建無傘空投信息平臺，并驗證設計方案的可行性。